集氣站放空系統(tǒng)改造可行性分析

溫立憲，許 勇，呂海霞，王 霄，劉 佳，陳 斌，曹敬敏，金連城

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500）

1 集氣站放空系統(tǒng)簡介

目前，集氣站大多采用設(shè)計初期安裝的放空分液罐對放空天然氣進行初步氣液分離，然后進入火炬進行燃燒處理，以實現(xiàn)天然氣放空作業(yè)。集氣站內(nèi)放空作業(yè)有以下三種情況：實際生產(chǎn)過程中，當集氣站設(shè)備出現(xiàn)超壓，系統(tǒng)壓力高于安全閥設(shè)置壓力時，設(shè)備或管線上的安全閥將自動開啟進行泄壓；冬季生產(chǎn)過程中，由于氣井壓力高、環(huán)境溫度低，采氣管線極易出現(xiàn)水合物凍堵現(xiàn)象，此時采取放空作業(yè)降低采氣管線內(nèi)壓力以解除凍堵；另外，部分氣井隨著生產(chǎn)周期的延長，氣井能力降低，難以將井筒內(nèi)積液帶出，通過站內(nèi)放空帶液確保氣井正常生產(chǎn)。集氣站生產(chǎn)流程（見圖1）。

集氣站內(nèi)放空分液罐容積為1.35 m3，主要由筒體、放空及排污系統(tǒng)組成，放空天然氣進入分液罐中由于容積突然增大，使得放空氣體流速降低，有利于氣液分離，操作人員通過設(shè)備排污閥將分離的游離水排至污水罐中。氣液分離后的天然氣進入φ159×8高為15 m的放空直筒火炬，通過控制火炬頂部設(shè)置電子點火器將其引燃，放空分液罐和直筒火炬具體結(jié)構(gòu)示意圖（見圖2、圖3）。

集氣站放空作業(yè)時應(yīng)嚴格控制放空速度，放空天然氣先經(jīng)過放空分液罐進行重力沉降氣液分離、絲網(wǎng)捕霧器攔截和聚集，分離后的天然氣中水含量極低。生產(chǎn)實際情況表明，采用放空分液罐和直筒火炬能夠滿足氣田開發(fā)初期集氣站放空作業(yè)。

2 集氣站放空系統(tǒng)存在問題分析

隨著靖邊氣田天然氣深入開發(fā)，氣井產(chǎn)水量逐年增多。同時泡沫排水采氣等輔助增產(chǎn)工藝，使得氣井產(chǎn)水波動較大。在日常生產(chǎn)放空作業(yè)時，由于放空速度過快，同時氣井產(chǎn)水量不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)氣水分離不充分情況。高速氣流攜帶部分油水混合物由火炬筒噴出，天然氣由母火引燃，氣田采出水散落在火炬筒周圍，污染周邊環(huán)境。出現(xiàn)火炬放空污染原因主要是氣井生產(chǎn)狀況發(fā)生變化，同時現(xiàn)有放空系統(tǒng)已不能適應(yīng)氣井生產(chǎn)狀況變化對配套工藝的要求。具體分析如下。

2.1 氣井生產(chǎn)狀況變化

氣田開發(fā)初期，氣井能量充沛，產(chǎn)水較少，隨著氣田開發(fā)的不斷深入，氣井產(chǎn)水量不斷增大，部分氣井攜液能力降低，需加注起泡劑助排生產(chǎn)，產(chǎn)水很不穩(wěn)定，從而增大了操作難度，給放空系統(tǒng)正常運行帶來很大的壓力?，F(xiàn)對A集氣站生產(chǎn)氣井產(chǎn)水變化進行統(tǒng)計。

從A集氣站所轄氣井生產(chǎn)曲線可知，開發(fā)初期呈現(xiàn)出壓力高、產(chǎn)氣量大、產(chǎn)水較少等特點，隨著產(chǎn)氣量及地層壓力的降低，氣井攜帶游離水量增大，其中4#氣井最大產(chǎn)水為81 m3/d，最小為4 m3/d，產(chǎn)水波動范圍明顯，自2004年實施泡沫排水采氣工藝后，產(chǎn)水在10 m3/d左右。這種不穩(wěn)定產(chǎn)水給集氣站放空作業(yè)帶來很大的難度。

2.2 放空系統(tǒng)分離設(shè)備現(xiàn)狀

現(xiàn)有放空系統(tǒng)核心分離設(shè)備為放空分液罐。放空分液罐為主要油水分離設(shè)備，根據(jù)氣液密度差異，采用重力沉降方式達到氣液分離的目的。液滴在隨氣流水平方向的速度u運動的同時，在重力作用下以沉降速度ut向下沉降。在水平速度u不變的情況下，液滴粒徑越大，沉降速度影響越大，受水平速度影響越少，逾先分離。以氣井進站壓力6.4 MPa為例，說明放空天然氣放空分離情況。當氣井進行放空解堵作業(yè)時，6.4 MPa高壓原料氣經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流后瞬時流速可達370 m/s。在高速流體的作用下，原料氣中含有的游離水被拉拽成細小液體，形成氣霧混合流?；旌虾罅黧w在經(jīng)過放空分液罐時，一方面，由于節(jié)流元件的霧化作用，使得分離器中的液滴粒徑變小，受水平流速u的影響較大，受沉降流速ut影響變小，液滴通過分離器的時間變短，部分液滴來不及分離便被帶出分液罐。另一方面，由于流體在順壓力梯度下流動，受到出口向上氣流拉拽作用，干擾了部分液滴向下沉降運動，被帶出分液罐。

另外，放空分液罐的絲網(wǎng)捕霧器是由f 0.25 mm的1Cr18NiTi不銹鋼絲手工纏繞制成，根據(jù)相關(guān)的腐蝕研究資料表明，當溶液中的H2S質(zhì)量分數(shù)為（10～200）×10-6時，該材料隨著質(zhì)量分數(shù)增加，表明氧化膜開始破壞，腐蝕將逐漸加劇。（1）地質(zhì)研究表明，靖邊氣田天然氣中硫化氫占0.014%～0.098%，平均約為691 mg/m3，局部含量較高，最高達到20 g/m3；（2）由于上述客觀原因，隨著設(shè)備服役年限增長，高礦化度游離水及含硫天然氣對分液罐補霧絲網(wǎng)的侵蝕造成大部分絲網(wǎng)破損嚴重，其捕捉細小液滴的能力被削弱。

同時，由于放空火炬僅為φ159×8的立管，結(jié)構(gòu)簡單，不具備氣液分離能力，若放空作業(yè)操作速度過快，高速氣流攜帶游離水進入火炬立管的機率增大，將影響火炬的正常燃燒，輕則污染周邊環(huán)境，重則導致含硫化氫天然氣擴散危急居民安全。

因此，放空分液罐和直筒火炬無法滿足生產(chǎn)放空作業(yè)需求，需對放空系統(tǒng)進行改進以滿足放空作業(yè)需求，消除放空系統(tǒng)缺陷造成的安全隱患。

3 集氣站放空系統(tǒng)改造

3.1 更換放空分液罐為雙筒式閃蒸分液罐

為減少放空過程中天然氣攜帶游離水情況，消除氣體流速控制不當導致游離水進入放空火炬帶來的安全隱患，近年來，新建集氣站均采用雙筒式閃蒸分液罐，放空天然氣中攜帶的游離水沉積在積液包中，利用電動球閥控制閃蒸分液罐液位，進而很大程度上減少了放空氣體攜帶游離水情況。雙筒式閃蒸分液罐具體結(jié)構(gòu)示意（見圖4）。

放空氣體從氣進口進入，在導流板的作用下，氣流作旋轉(zhuǎn)運動，氣體中的液滴向管壁聚結(jié)，并隨氣流一起向下進入罐體內(nèi)的折流板中，折流板進一步吸收液滴的動能，減少液滴的反彈和霧化，最后向下積聚在罐體的底部積液包中。

溶解有可燃氣體組份的凝液在閃蒸分液罐內(nèi)實現(xiàn)氣液分離過程；分離出的液相經(jīng)排液口排出；氣相則進入旋流管，沿螺旋隔板作強制旋流運動。由于強制的反復(fù)的旋流運動，氣體中的液滴在離心力作用下向旋流管內(nèi)壁聚結(jié)，小液滴聚集成大液滴，氣量較小時，向下沉降進入罐體1的底部；氣量較大時，這些聚集的大液滴，會隨氣流向上運動，進入固定閥罩，由于流通截面的擴大，流速降低，向下沉降落入水封液中，補充水封液。進入固定閥罩的氣流，通過固定閥罩和浮動閥罩之間狹小的環(huán)形縫隙，進入其頂部的封閉空間內(nèi)，使封閉空間內(nèi)的壓力升高，當壓力產(chǎn)生的向上作用力大于浮動閥罩的重量時，浮動閥罩向上運動，向上運動過程中，封閉空間的容積不斷擴大，減緩了向上運動的速度，隨著氣體流量的增加，浮動閥罩不斷的向上移動，直至固定閥罩上面的通氣孔被打開，氣體經(jīng)水封液上面的通氣孔從出氣口流出；氣體流量變化時，通氣孔的開度隨著變化，此時浮動閥罩內(nèi)外的壓差產(chǎn)生的向上作用力，正好等于浮動閥罩向下的重力，浮動閥罩受力平衡，通氣孔處于一定的開度。氣體經(jīng)水封液上面外環(huán)空間通過時，部分較大的液滴或霧狀液滴在慣性和離心力作用下，沖向吸收吸附層，吸收吸附層可以有效地吸收液滴的動能，避免液滴的反彈和霧化，使液滴吸附于吸收吸附層上面，并向下流入水封液中，水封液超過一定量時，經(jīng)回流管流入罐體1的底部。若不進行放空和閃蒸作業(yè)時，罐體1內(nèi)的氣量減少，氣壓降低，浮動閥罩依靠重力向下運動，支撐于支承板上，其下端沉沒于水封液中，罐體處于水封狀態(tài)，通過以上過程就完成了閃蒸、分液和水封阻火的作用功能。雙筒式閃蒸分液罐具有集凝液閃蒸、可燃氣體分液、氣體阻火的水封功能于一體的優(yōu)點，它節(jié)省材料，占用場地面積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，利用率高。在通常情況下罐體壓力為常壓，只有在集氣站進行放空作業(yè)或者在分離器排液過程中才承壓存液，設(shè)備本體上安全閥的起跳壓力設(shè)定為2.5 MPa，有效地保證了設(shè)備安全運行。

3.2 更換直筒火炬為旋風式氣液分離型火炬

為解決直筒火炬放空過程中攜帶液體嚴重的問題，經(jīng)調(diào)研論證，選用旋風式氣液分離型火炬代替原有直筒火炬。改型火炬的本體是由漸縮的筒體組成，放空天然氣沿底部直徑最大的筒體切向進入火炬內(nèi)部，切向進入的天然氣受筒體器壁的約束由上向下作螺旋運動，由于水滴和天然氣的密度差，導致游離水向心力大于氣體的向心力，水滴的質(zhì)量越大，向心力作用效果越明顯，從而實現(xiàn)氣體和水分的進一步分離，分離后的氣體由頂部排出，由母火引燃。同時，放空時打開火炬底部排污閥門及時排放分離出的污水，避免了積水過多導致天然氣攜帶水對火炬燃燒的不利影響。RH-II型火炬結(jié)構(gòu)（見圖5）。

旋風式放空分液火炬核心設(shè)備為旋風分離器，放空天然氣在旋風分離器內(nèi)的運動情況（見圖6）。

分離因數(shù)KC是反映旋風分離器的重要指標，它表示離心沉降速度與重力沉降比值，分離因素表示如下：

其中uT為切向速度，R為軸心距。以50 m/s放空速度核算旋風分離器Kc值（R為0.33 m），計算Kc得為770，即在6.4 MPa氣井放空解堵時，旋風分離器的分離效率為重力分離的770倍。

4 集氣站放空系統(tǒng)改造效果評價

為了評價集氣站放空系統(tǒng)的可行性，選取雙筒式閃蒸分液罐+旋風式氣液分離型火炬配套的放空系統(tǒng)和放空分液罐+直筒火炬配套的放空系統(tǒng)進行效果評價。

4.1 現(xiàn)場采用雙筒式閃蒸分液罐+旋風式氣液分離型火炬放空系統(tǒng)

為評價雙筒式閃蒸分液罐氣液分離效率，必須對其進出口水含量進行測定，鑒于氣井放空過程中天然氣含水量較多，成分復(fù)雜，不能滿足目前儀器測量及化學測量天然氣水含量方法必要條件，通過對放空系統(tǒng)由雙筒式閃蒸分液罐與旋風分離器配套組成的B、C、D、E集氣站冬季生產(chǎn)放空帶液情況進行統(tǒng)計來評價雙筒式閃蒸分液罐的分離效率（見表1）。

表1 雙筒式閃蒸分液罐運行情況統(tǒng)計表

從表1可知，雙筒式閃蒸分液罐的氣液分離效率在85%以上。從現(xiàn)場生產(chǎn)情況來看，旋風式放空分液火炬出口天然氣處燃燒充分，未有液體噴出，認為放空過程中的攜帶液體已在上游分離設(shè)備中分離完全。

4.2 現(xiàn)場采用放空分液罐+直筒火炬放空系統(tǒng)

為了評價放空分液罐的分離效率，選取產(chǎn)水量較大的4#試驗氣井進行，利用進站總機關(guān)放空針閥控制放空速度，分別在放空分液罐及旋風式放空分液火炬底部排放污水，具體試驗流程（見圖7）。

在進站總機關(guān)處放空帶液1 h，火炬底部排污約1.7 m3污水，集氣站內(nèi)放空分液罐排污約為2.3 m3。通過對A集氣站的實驗分析，已燃燒的天然氣中游離水含量近似為零，而通過計算η=2.3/（1.7+2.3）×100%=58%，即就是放空分液罐的氣液分離效率僅為58%，由此驗證了采用放空分液罐+直筒火炬的放空系統(tǒng)由于放空分液罐的分離效率低已不能滿足目前生產(chǎn)的需要。

通過上述實驗及統(tǒng)計分析，由于雙筒式閃蒸分液罐氣液分離效率在85%以上，加之配套使用旋風式放空分液火炬能夠完全消除放空攜液環(huán)境污染問題。

5 結(jié)論

采用雙筒式閃蒸分液罐和旋風式放空分液火炬相結(jié)合的放空工藝模式能夠很好地適應(yīng)集氣站產(chǎn)水量大、出水不穩(wěn)定氣井的放空作業(yè)，消除了放空過程中，氣井采出水對周邊環(huán)境的污染問題，消除了硫化氫擴散威脅周圍居民人身安全的風險，具有明顯的社會效益，建議推廣應(yīng)用，為氣田開發(fā)奠定堅實的健康、安全、環(huán)境基礎(chǔ)。

［1］萬征平，陳亞凌，劉學蕊，等.三甘醇脫水過程中吸附硫化氫研究及環(huán)境保護技術(shù)研討［J］.石油化工應(yīng)用，2012，31（4）：91-93.

［2］馮叔初，等.油氣集輸與礦場加工［M］.北京：石油大學出版社，1992.